台灣電力企業聯合會電子報 第五十三期 2021.10.20
本期焦點

AMI開啟的潛在價值與數位發展

王金墩*主筆

*台電綜合研究所研究員

  在政府揭櫫數位發展大方向下,對外向世界接軌大數據與人工智慧(AI)應用,對內開展以資料為核心的數位經濟,並以最高層級的總統盃黑客松宣示政府引導政策的決心,各級政府與國營事業紛紛以組織數位轉型應對此勢不可擋的浪潮。這一波浪潮不是以資訊軟硬體為主,而是資料本身及資料演算為核心,擁有資料及資料科學家將主宰未來的市場經濟及事業運作。

  台電擁有廣大的用電戶,目前已超過1450萬戶,以往與用戶端之互動僅止於電力流(Power Flow)的傳輸與單向電費金流,隨著能源轉型與數位發展,藉由先進讀表基礎建設(Advanced Metering Infrastructure, AMI)的逐步建置,電力流/數據流/現金流(power flow / data flow / cash flow)都開始轉為雙向互動,其中電業與用戶的責任分界點是以AMI的智慧電表扮演最關鍵的角色。智慧電表往電網端的資料流及應用是電業可控制的範圍,從過去、現在到未來,台電均已在階層調度自動化下展開各類資訊分析應用,確保系統與區域電網的穩定與因應未來雙向供電的需求。

  台灣智慧電表內部有著特殊的設計,除了上述往電業端傳送的資料流A-route通訊模組外,另保留了未來資料與用戶端家中互動的B-route通訊模組,這條資料通路將連接著電業轉型後提供用戶更多服務與創造新商機的未來優勢。目前配售電業、法人及研究機構已紛紛展開以家庭能源管理系統(HEMS)為主的各類應用示範,包括最近資策會數位轉型所於新北市社區進行以非侵入式用電指紋結合AI技術的節電應用示範,台電綜研所於鳳山智慧綠社區約366戶進行的各種社區能源管理系統(CEMS)與家庭能源管理系統(HEMS)功能情境及非侵入式負載監控(Non-intrusive load monitoring, NILM)技術的實驗與示範等,均是未來推出與用戶互動的新商業模式及加值服務的先導。

  綜觀國際間如日本東京電力與Informatics公司合資成立Energy Gateway公司,以搶攻日本全面電業自由化後的B2C家庭能源管理與居家照護市場,是一種已實務運作成功的商業模式。同樣地,美國Bidgely Inc.亦以B2B2C模式協助電力公司轉型為能源使用的諮詢者,以改善顧客滿意度及推展新的商務,這些案例都以電力公司-AMI-家中電器所蒐集的資料為基礎,以用電數據、電器使用進而以AI技術分析使用者可能的行為,進行精準的服務、照護與行銷。然而各國的客觀環境不同,僅能作為參考:例如日本智慧電表內建Echonet Lite協定(日本電器通用協定),使得家中閘道器(Gateway)可快速及穩定地(日本電表裝置於門口)建立B-route資料流並與電器互連,大大降低了技術及成本門檻,台灣若於家中建立閘道器(Gateway),則需處理與B-route至智慧電表之「裝置語言資訊規範/電能計讀指引規範」(Device Language Message Specification /Companion Specification for Energy Metering, DLMS / COSEM)應用層協定,另一方面亦需建立目前家電標準(例如臺灣智慧能源產業協會(Taiwan Smart Energy Industry Association, TaiSEA)推動訂定之智慧家庭物聯網通訊標準- TaiSEIA 101)之介面實現,大大提升了技術門檻與成本。縱使解決技術與成本議題,日本的家庭收入與電價均甚高於台灣,相同的服務應用功能,在日本可成為商業模式,在台灣則值得進一步研析!

  筆者投入AMI相關應用多年,在已建立的AMI及用戶資料大數據平台為基礎下進行許多用戶資料分析、探勘、預測等研究,近年開始隨著低壓AMI的逐步建置,展開延伸至用戶端的各類技術與應用開發,並以台電公司鳳山數百戶宿舍為試驗場域進行各種技術及功能示範,階段性成果及未來發展概述如下:

  鳳山智慧綠社區示範涵蓋HEMS + CEMS共366戶,整體架構如圖所示。在與台電公司配售電單位的合作下,主軸為以低壓AMI基礎建設投資及資訊應用,引導各種能源管理系統(xEMS)進行節能、需量反應管理與創新商業模式。

 

整體鳳山智慧綠社區示範架構圖

在CEMS / HEMS 基礎建設方面,已完成項目包括:

 ▓ AMI、A、B route通訊:用戶15分鐘資料與進入家中Gateway
      之每分鐘用電資料

 ▓ 整體社區Wi-Fi無線網路環境

 ▓ 雲端平台

 ▓ Open ADR自動需量反應機制

 ▓ 社區與用戶用電行動APP

 ▓ 366戶HEMS

 ▓ 宿舍各類情境之智慧家庭展示屋(真實用戶家中)

       其完成之功能包括:

 ▓ CEMS-可掌握每一個家戶及社區用電並可視覺化呈現,可 
  以行為科學進行自主節電競賽及掌握參與需量反應資源, 
  並聚合為CEMS之層次,以社區為單位參與需量反應方案
  或未來市場,為社區創造收益及示範各種智慧社區功能。

 ▓ HEMS-智慧家庭展示屋(HEMS)具10kWh家用儲能系統、
  5kWp屋頂PV及Wi-Fi無線網路系統,並以家庭能源管理
  系統視覺化進行示範:(a)設備與迴路即時用電監控、(b)
  OpenADR2.0b自動需量反應與節電控制、(c)智慧家電
  (符合TaiSEIA協定)進行智慧家電連動控制、(d)室內空氣
  品質分析、(e)智慧情境控制、(f)特定時段達成零耗能智慧屋。

 

在已完成的功能下,目前亦積極將HEMS中智慧音箱聲控智慧家電功能及家庭微電網功能加入示範,同時在各種功能齊備下,開始準備未來的實務推展規劃,進行AMI B-route與Home Gateway(與聯齊科技合作)之穩定通訊資料流解決方案。

  為了以AMI資料分析技術優勢及投入AI應用領域的新商業模式,在鳳山智慧綠社區亦建立了完整的非侵入式家電負載監控(Non-Intrusive Appliance Load Monitoring, NIALM)實驗屋,進行超過13類電器的個別與組合分析、建模,搭配真人入住情境發展AI技術,並實測辨識率與建立完整資料庫,以AMI A-route 15分鐘解析度及B-route 1分鐘解析度進行運作測試,所發展的深度學習Seq 2 Point演算法以總用電解析主要的6種常用電器,包括冷氣、照明、電熱水器、冰箱、除濕機及電風扇;在鳳山實驗屋及30戶家庭住戶作性能測試,運轉辨識率可達83%,超越目前國內外文獻發表的準確度,為更進一步技術精進建立了信心!為持續發展未來可能的用戶節能、異常用電、需量反應、居家照護、異業結盟及電子商務等商業模式,筆者團隊仍持續進行「非侵入式家電負載解析技術精進與商業應用模式研究」計畫,將以實驗屋28項主要家電,開發高頻穩/暫態電力特徵之NIALM解析技術,以提升用電解析性能並可適用居家照護應用;基於已建構之NIALM模型樣本,發展低頻穩態特徵之NIALM遷移學習技術,以利擴大商業推廣及可行性驗證,並解析NIALM與使用者日常生活行為(activities of daily living, ADL)之關聯,實際於鳳山實驗屋進行電器與人行為的組合測試。

  上述的技術發展與功能示範並不等於商業模式,國外的成功範例也不一定能應用於台灣,因此需要經由基礎試驗或示範,了解通往商業化之關鍵指標,並在這過程中了解台灣使用者的需求,測試各種功能所需的成本。電業在既有供電義務下透過AMI資訊應用以發展更高品質的服務及協助用戶聰明節電,是每一個卓越電力公司追求的目標。但是開發加值應用成為未來新的資料經濟,端視用戶願意花多少錢買什麼樣的服務,才能成為商業模式,在台灣目前的客觀環境下還需更大的努力!

 
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